晚二叠-早三叠世沉积岩中黄铁矿的多硫同位素组成及其古环境意义

The end-Permian mass extinction about 252 million years ago represents the most severe extinction events in Earth history. A full biotic recovery did not occur until 4-8 million years after the extinction. It is widely accepted that oceanic chemistry changes may have contributed to the end-Permian mass extinction and delayed biotic recovery. However, the temporal and spatial changes of oceanic chemistry and its relationship with mass extinction and subsequent biotic recovery have been debated. In view of this, we propose to study Chaotian section and Xiakou section, which are two type sections for the Permian-Triassic successions in South China. The analytical work in this application includes high precision measurements of multiple S-isotopes on sedimentary pyrites and better understanding of biogeochemical sulfur cycling in the Permian-Triassic oceans. We aim to reconstruct temporal and spatial ocean chemistry changes. The new data from Chaotian and Xiakou sections would improve our knowledge about ocean chemistry changes in time and space as well as their potential link to the end-Permian mass extinction and protracted biotic recovery.

距今约2.52亿年的二叠纪末期发生了地球历史上最大规模的一次生命灭绝事件，并且其后的生命复苏过程大致持续了4-8百万年。长期以来，海洋化学条件的变化被认为是大规模生命灭绝和迟缓生命复苏的主要驱动因素之一。然而关于海洋化学条件在时间、空间尺度上的变化特征及其与生命灭绝、复苏的联系一直存在争议。针对存在的问题，本项目拟选择华南地区朝天和峡口两条典型剖面为主要研究对象进行深入的研究。拟开展的具体工作主要包括沉积岩中黄铁矿的高精度多硫同位素测试，探讨晚二叠-早三叠世海洋中硫循环的生物地球化学特征，重建古海洋化学组成在时间、空间上的变化。朝天剖面和峡口剖面的研究结果能够使我们对古海洋环境的时、空变化以及它们如何影响生命灭绝、复苏等科学问题产生重要的认识。

二叠-三叠纪之交发生显生宙最大规模的生命灭绝事件，随后的早三叠世生命复苏历程也是显生宙历次生命大灭绝后耗时最久的一次。大量研究认为海洋化学条件变化是导致二叠纪末生命灭绝和早三叠世缓慢生命复苏的重要环境制约因素，但是对于海洋化学条件时空演化特征存在众多争议。针对存在的问题，我们对华南朝天剖面和峡口剖面沉积岩中的黄铁矿进行高精度的多硫同位素分析，并结合模型定量制约这一时期海洋硫循环的演化规律。研究结果表明，朝天剖面δ34Spy在二叠纪末生命灭绝层位之下开始正偏移，直至二叠-三叠纪边界之上达到正偏移峰值，这与全世界同时期的硫同位素变化特征相似，指示当时海洋硫循环发生显著改变。模型计算结果表明，黄铁矿埋藏速率增加可以解释这一时期全球范围内硫同位素正偏移，指示二叠纪末生命灭绝前至生命灭绝后持续存在的深部缺氧海洋环境。此外，模型计算结果显示，增加的黄铁矿埋藏扰动停止后，δ34Spy在短时间内无法恢复到扰动之前的值，可能由于深部硫化海水上涌带来的大量硫化氢被氧化所致。朝天剖面δ34Spy-Δ33Spy数据同样指示硫化的海洋环境。我们的研究表明，持续缺氧的海洋环境可能是导致二叠纪末生命灭绝和早三叠世缓慢生命复苏的主要环境制约因素。峡口剖面δ34Spy在早三叠世Griesbachian及Dienerian-Smithian期间呈现正偏移趋势，指示广泛分布的缺氧海洋环境下黄铁矿埋藏速率不断提高所产生。同时，模型计算结果表明，早三叠世Griesbachian至Smithian早期，海水硫酸盐浓度逐渐降低，由~2 mM降低至~0.2 mM。更为重要的是，多硫同位素模型同样表明这一时期海洋硫酸盐浓度不断降低。晚二叠世末至早三叠世Smithian，多硫同位素逐渐从硫酸盐开放体系转变为硫酸盐封闭体系，并且在Smithian，多硫同位素呈现瑞利分馏特征，指示较低的海水硫酸盐浓度。低浓度海水硫酸盐会通过促进产甲烷作用和抑制甲烷厌氧氧化作用提高甲烷释放量，最终导致缺氧海水扩张。我们的研究表明，低浓度海水硫酸盐引发的缺氧海洋环境扩张可能是导致早三叠世缓慢生命复苏的重要因素。